Космический лифт, рисунок с сайта liftport.com

Земля на проводе

Прототип "космического лифта" поставил новый рекорд

В США поставили новый рекорд высоты - 460 метров. Такой результат, несерьезный для альпиниста и смешной для космонавта, относится ко вполне космической задаче: робота, пока не преодолевшего полукилометровой отметки, вскоре тем же способом заставят забираться на орбиту. Устройство, которое сконструировали "виновники" рекорда, в научно-популярных текстах называют "лестницей в небо", а более прагматичные люди употребляют словосочетание "космический лифт". Благодаря ему (если, конечно, он будет построен) космодромы и морские платформы перестанут быть единственно возможными "точками входа" в космос. Только вместо "поехали" космонавты будут говорить "поползли".

Идее космического лифта - 46 лет, хотя многие приписывают ее еще Циолковскому. Но именно в 1960 году в приложении к "Комсомольской правде" появилась статья "В космос - на электровозе". Ее автор, аспирант Юрий Арцутанов, предлагал построить "канатную дорогу с Земли в космос", один конец которой находится на земном экваторе, а другой - прикреплен к грузу на геостационарной орбите, то есть на высоте в 36 тысяч километров. Только на таком расстоянии сила тяжести и центробежная сила уравновешиваются так, что спутник-противовес может неподвижно висеть над заданной точкой.

Позже такая мысль посетила фантаста Артура Кларка, убедительно изложившего ее в "Фонтанах Рая". Роману предшествовала научная статья: сам Кларк занимался проблемами космонавтики профессионально и, в частности, еще в 40-х годах прошлого века придумал альтернативу геостационарным орбитам - геосинхронные траектории, которые позволяют спутнику проводить над одной точкой большую часть времени. (Они, разумеется, не подходят для космического лифта, но зато были успешно освоены телекоммуникационными спутниками). Так или иначе, писатель, названный американскими властями "вдохновителем полета на Луну", привлек к "лифту" больше внимания, чем кто бы то ни было.

Статья советского аспиранта опубликована за год до того, как в космос отправился первый человек, книга Кларка - за несколько лет до первой "полноценной" экспедиции шаттла. Обоим авторам было очевидно, что громоздкие и дорогостоящие корабли в определенном смысле избыточны для преодоления скромного, по земным меркам, расстояния до границы с космосом. Лифт должен был обеспечить бесперебойную связь с орбитой - с его помощью грузы и люди смогли бы добираться туда с перерывом меньше суток, недоступным ни прежним, ни нынешним ракетам. Кроме того, запуск в космос любого реактивного аппарата связан с неизбежной потерей деталей, будь то ступени ракет или внешний топливный бак шаттла, а "лифт" мог бы стать по-настоящему многоразовым и даже "экологически чистым" устройством.

Испытания "лифта", фото с сайта newscientist.com

Нужно отметить, что у модели Арцутанова и Кларка были и альтернативы, которые, правда, были признаны практически неосуществимыми. Их предыстория была еще более долгой. Известно, например, что Циолковский после знакомства с Эйфелевой башней воодушевился идеей "улучшить" эту конструкцию, увеличив ее в несколько сотен раз. Замысел оказался несостоятельным - как показали расчеты, самый прочный из современных Циолковскому строительных материалов не выдерживал и малой доли предполагаемой нагрузки. Последователи у "отца космонавтики" нашлись в конце двадцатого века - группа математиков предложила сделать башню основанием гигантского "фонтана", который "выталкивает" грузы в космос потоком специальных гранул. Впрочем, при внимательном рассмотрении все это выглядело не слишком убедительно, и авторы "башни" так и не нашли общего языка с теми, кто мог бы взяться за ее строительство.

У "лифта", напротив, появились серьезные перспективы, когда им заинтересовалось американское аэрокосмическое агентство. Это произошло сравнительно недавно: Институт передовых исследований NASA в 1999 году включил лифт в список "возможных задач" начала третьего тысячелетия. Еще незадолго до этого ученые признавали, что построить его не представляется возможным: строго говоря, доступны все детали, кроме главной - троса. По замыслу, он должен быть достаточно тонким и прочным, чтобы выдержать собственный вес - и, как и в случае башни, выяснилось, что подходящий материал все еще не изобретен. Надежда на лучшее появилась, когда в 1991 году японский физик Сумио Идзима синтезировал нанотрубки - сверхпрочные микроскопические нити, представляющие собой полые цилиндры из углерода. Ученые пришли к выводу, что изготовленная из них лента не толще бумаги и шириной в несколько миллиметров выдержит и собственный вес, и вес "кабины", но при одном условии: если нанотрубки научатся правильно "сплетать". Дело в том, что сами сверхпрочные молекулы крайне невелики - до сих пор нанотехнологам не удалось получить образцы длиннее 4 миллиметров. А композитная ткань, которую можно было бы из них сделать, будет, разумеется, иметь менее впечатляющие характеристики, чем отдельная молекула, поскольку фрагменты заведомо прочнее целого.

Однослойная углеродная нанотрубка, рисунок с сайта hiroshima-u.ac.jp

NASA вынесло проблему на всеобщее обсуждение в прошлом году, сделав ее одной из первых в серии конкурсов Centennial Challenges. Исследователям предложили премию в 50 тысяч долларов за образец "нити", который окажется хотя бы в полтора раза прочнее, чем имеющийся в распоряжении агенства. При подведении итогов оказалось, что с задачей не справился никто, так что сроки перенесли еще на год, а вознаграждение удвоили. Любопытно, что в качестве "точки отсчета" выбрали не нанотрубки, а сверхплотный полиэтилен Dyneema - и, следовательно, пока изделия из самого многообещающего вещества самыми прочными назвать нельзя.

Другой нерешенной задачей в NASA считают энергоснабжение лифта. Очевидно, что к ползущему по нити роботу нельзя подвести ток, и его придется "подпитывать" удаленно. Это собираются делать с помощью лазеров, которые направят на специальные "солнечные батареи". За "ползущее устройство" с нужными свойствами была назначена такая же премия, что и за материал нити - и, как и в первом случае, конкурсантам выделили дополнительный год на "работу над ошибками".

Как обычно, новый проект космического ведомства не избежал критики. По мнению наблюдателей, организаторы конкурсов игнорируют куда более серьезные проблемы, с которыми при строительстве "лифта" неизбежно столкнутся. Так, если Землю с орбитой будет соединять тонкая нить, то небольшого (но быстрого) куска космического мусора хватит, чтобы свести на нет усилия конструкторов. Кроме того, погруженному в атмосферу участку будет угрожать не меньшая опасность - молнии, ураганы или происки террористов.

Со всеми этими возражениями NASA готово поспорить. Космический мусор, утверждают ученые, внесен в каталоги, и столкновения удастся избежать, своевременно "поколебав" трос. (Отсюда, в частности, следует, что нить необходимо закрепить на плавучей платформе). Ураганов не бывает на экваторе, где будет находиться "земной" конец нити. Молнии не возникают ниоткуда, и грозовые облака можно будет "обойти" так же, как и космический мусор. Что же касается террористов, то их выследит и обезвредит бдительная охрана, расставленная по периметру специального участка в океане.

Это означает, что космический лифт построить все-таки можно - например, к 2018 году (на который, к слову, запланировано еще одно значительное событие - полет астронавтов на Луну). Разработчики даже составили черновик сметы - согласно ей, строительство обойдется в 4-5 миллиардов долларов. Расходы должны быстро окупиться: доставка груза на орбиту, которая сейчас обходится в десятки тысяч долларов за килограмм, станет, по словам сторонников "лифта", несравнимо дешевле.

Коммерческие перспективы таких перевозок привлекают не только госорганизации. Так, корпорация LifPort Group уже заявила, что будет разрабатывать космический лифт собственными силами и тоже планирует завершить подготовительные работы в 2018 году. LiftPort Group провела несколько испытаний "протолифта", и ей же принадлежат недавние "рекорды высоты" - 400 метров в сентябре 2005 года и 460 в феврале 2006-го. Во время эксперимента робот взбирался по нити из углеволокна, прикрепленной одним концом к воздушному шару. Такой материал, по мнению экспертов, может оказаться ближе к оптимальному, чем ткань из чистых нанотрубок. Химики выяснили, что углеволокно (которое получается прокаливанием органических полимеров и, как и нанотрубки, состоит преимущественно из углерода) может быть "разбавлено" малой приместью нанотрубок, заметно увеличив свою прочность. Впрочем, пока самый длинный фрагмент нити, который удалось подвесить, был всего 1,6-километровым, а робот преодолел меньше трети этой дистанции.

Похоже, в ближайшем будущем ученым предстоит проверить китайскую пословицу про "один шаг" и "тысячу ли". Между тем, 460 метров - это уже почти целый ли. То есть, в некотором смысле, половина пути в космос.

Предыдущие материалы по теме

Налогоплательщики в космосе [13.12.2005]
NASA открыло "космические границы" для частных компаний

Заблудившийся парус [23.06.2005]
О судьбе "солнечного паруса", запущенного с российской подводной лодки, ничего не известно до сих пор

И снится нам не рокот [14.04.2005]
Через три года российская космонавтика приобретет новую "стартовую площадку"

Ссылки по теме

• В космос - на электровозе - "Комсомольская правда", 31.07.1960
• Космический лифт испытали неудачно - Lenta.ru, 16.02.2006
• NASA недовольно конструкторами космических лифтов - Lenta.ru, 25.10.2005
• В США испытали космический лифт - Lenta.ru, 29.09.2005
• Из нанотрубок сделали ткань для "лестницы в небо" - Lenta.ru, 19.08.2005
• NASA ищет энтузиастов, чтобы построить лестницу в небо - Lenta.ru, 28.03.2005
• Самарские ученые собираются спуститься на Марс на лифте - Lenta.ru, 19.03.2004

Сайты по теме

• Космический лифт
• Space Elevator Reference
• Space Elevator Quick Facts
• How Space Elevator Works
• Space Towers
• Beanstalks and Space Fountains
• LiftPort Group